焊接結(jié)構(gòu)參考策劃書

一、作品名稱輕量化焊接桁架結(jié)構(gòu)二、設(shè)計內(nèi)容2.1設(shè)計要求自由設(shè)計空間桁架焊接承載結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)應(yīng)具備明顯的桁架部件經(jīng)局部焊接形成連接并承載的特征。桁架限定結(jié)構(gòu)總質(zhì)量不超過0.3kg，要求結(jié)構(gòu)件高度不低于180mm，必須保證結(jié)構(gòu)上部有一個固定面積不低于400mm2的承力面且下部有固定面積不低于600mm2的承力面，考查結(jié)構(gòu)件的承載能力及承載力質(zhì)量比。2.2優(yōu)化設(shè)計思路設(shè)計分為6步:基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的選擇。為減少結(jié)構(gòu)加工難度，以及減弱大量焊接節(jié)點(diǎn)對結(jié)構(gòu)性能的影響，故選擇2種典型的桁架截面形狀：正三角形和正四邊形，以它們?yōu)榛A(chǔ)進(jìn)行桁架結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化。確定桁架結(jié)構(gòu)立柱與底面的夾角θ以及橫截面形狀。改變2種橫截面形狀的結(jié)構(gòu)其立柱與底面的夾角θ，利用靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析和屈曲分析得到臨界失穩(wěn)載荷F，作F/m隨夾角θ的變化曲線分析獲得最大F/m值。確定橫桿層數(shù)。考慮到焊接加工，節(jié)點(diǎn)不宜過多，故層數(shù)不宜超過5層。按照確定的θ值設(shè)計模型對它們進(jìn)行承重比的比較，確定出最佳層數(shù)。橫桿位置添加。由于對橫桿和斜桿一起進(jìn)行優(yōu)化，涉及的問題較為復(fù)雜，同時對于計算機(jī)的算力要求較大，我們將橫桿根據(jù)不同“層差”從上往下依次分布考慮結(jié)構(gòu)的承載能力。斜桿連接方式確定。斜桿連接方式的幾何形狀分為2類：“彡字形”和“之字形”，2種不同斜桿分布方式的結(jié)構(gòu)其質(zhì)量相同。對2種斜桿的連接方式的結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析和屈曲分析，作2種斜桿連接方式的臨界失穩(wěn)載荷F對比。斜桿位置添加。我們采用逐級優(yōu)化的方法。在添加了橫桿的結(jié)構(gòu)上添加斜桿，并考慮焊接的便捷性以及相同位置施焊容易造成結(jié)構(gòu)局部變形和應(yīng)力集中，來添加斜桿。2.3結(jié)構(gòu)設(shè)計過程2.3.1確定基礎(chǔ)結(jié)構(gòu) （a）截面正三角形的棱臺（b）截面正四邊形的棱臺圖2-1基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)截面形狀選擇正三角形和正四邊形2種形式，設(shè)計如圖2-1，僅包括支撐桿和上下承力面的簡單結(jié)構(gòu)，該2種結(jié)構(gòu)的上部承力面面積一致(600mm2)，高度相同(180mm)。改變棱邊與底面的夾角θ，采用ANSYS進(jìn)行屈曲分析，計算結(jié)構(gòu)的臨界失穩(wěn)載荷，得到各結(jié)構(gòu)的承重比F/m隨θ的變化曲線(圖2-2)。由圖2-2可以看出，θ在某一角度區(qū)間時,2種結(jié)構(gòu)的承重比F/m達(dá)到最大值。圖2-2基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)F/m隨立柱與底面夾角θ變化曲線圖2.3.2立柱與底面夾角θ及橫截面形狀優(yōu)化因基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)未考慮在橫截面形狀不同時，在添設(shè)橫桿和斜桿后對其質(zhì)量帶來的影響是不同的，因此不能把基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)達(dá)到最大承重比時的θ定為桁架結(jié)構(gòu)的立柱與底面夾角。（a）截面正四邊形的完全結(jié)構(gòu)（b）截面三四邊形的完全結(jié)構(gòu)圖2-3完全結(jié)構(gòu)我們優(yōu)化設(shè)計的模型選用“完全結(jié)構(gòu)”。所謂“完全結(jié)構(gòu)”是指在基礎(chǔ)模型上預(yù)先添加一定數(shù)量的橫桿與斜桿，并且使得每個側(cè)面的每根橫桿都有斜桿相連接。文中采用等分四層桁架結(jié)構(gòu)作為“完全結(jié)構(gòu)”進(jìn)行優(yōu)化（圖2-3）。（a）截面正三角形的棱柱截面正四邊形的棱柱圖2-4兩橫截面形狀完全結(jié)構(gòu)屈曲分析結(jié)果圖改變2種橫截面形狀的結(jié)構(gòu)其立柱與底面的夾角θ，利用靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析和屈曲分析得到臨界失穩(wěn)載荷F，獲得最大F/m值（如圖2-4）。作F/m隨夾角θ的變化曲線，如圖2-5所示。圖2-5完全結(jié)構(gòu)F/m隨立柱與底面夾角θ變化曲線圖從圖2-5可以看出，隨著θ的變化，2種形狀橫截面的桁架結(jié)構(gòu)的最大F/m值變化趨勢相似，2種曲線均呈現(xiàn)先增大再突然下降的趨勢，最終根據(jù)圖中2條曲線各自峰值位置確定橫截面為正三角形結(jié)構(gòu)的夾角θ優(yōu)化值為84°；橫截面為正四邊形的結(jié)構(gòu)的夾角θ優(yōu)化值為81°。因正四邊形桁架結(jié)構(gòu)的承重比大于正三角形桁架結(jié)構(gòu)，因此桁架基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)形式確定為正四邊形棱臺。圖2-6完全結(jié)構(gòu)F/m隨立柱與底面夾角θ變化曲線圖但對于夾角θ的優(yōu)化值是否為81°，對于不同形式的桁架結(jié)構(gòu)其穩(wěn)定狀態(tài)下立柱與底面的夾角的變化區(qū)間是否相似仍需要討論，故我們又改變了橫桿各層的高度，得到3個“完全結(jié)構(gòu)”模型，對它們進(jìn)行了靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析和屈曲分析得到臨界失穩(wěn)載荷F，作F/m隨夾角θ的變化曲線并與原正四邊形完全結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行比較，如圖2-6所示。從圖中可以看出其夾角θ的最優(yōu)值區(qū)間為81°-83°。因此我們可以大膽推測不同形式的桁架結(jié)構(gòu)其穩(wěn)定狀態(tài)下立柱與底面的夾角的變化區(qū)間很可能相似，并考慮之后焊接所需質(zhì)量儲備，故選擇83°作為夾角θ的優(yōu)化值。2.3.3桁架層數(shù)優(yōu)化桁架結(jié)構(gòu)在實際焊接過程中，若層數(shù)過多，導(dǎo)致焊接節(jié)點(diǎn)較多且密集，構(gòu)件受熱變形大，容易導(dǎo)致焊后產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力，對材料的性能損害較大，同時層數(shù)過多也會使結(jié)構(gòu)質(zhì)量上升，因此設(shè)定桁架層數(shù)最多為5層。(b)（）（）（）（）（（））(a)(b)（）（）（）（）（（））(a)（）（）（）（）（（））(d)（）（）（）（）（（））((d)（）（）（）（）（（））(c)（）（）（）（）（（））圖2-7不同層數(shù)桁架結(jié)構(gòu)屈曲分析結(jié)果圖(a)兩層桁架結(jié)構(gòu)(b)三層桁架結(jié)構(gòu)(c)四層桁架結(jié)構(gòu)(d)五層桁架結(jié)構(gòu)我們按照θ為83°設(shè)計了層數(shù)從2-5共4個完全結(jié)構(gòu)模型，對它們分別進(jìn)行了靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析和屈曲分析得到臨界失穩(wěn)載荷F，獲得承重比F/m值。（圖2-7）表2-1不同層數(shù)桁架結(jié)構(gòu)承重比比較層數(shù)臨界失穩(wěn)載荷(N)質(zhì)量(g)承重比(N/g)五層36148.84267.78134.99四層36968.02250.34147.67三層27925.00219.60127.16兩層14188.37200.4770.78從表2-1可以看出，桁架結(jié)構(gòu)為4層時，承重比最大，同時比五層質(zhì)量更小，再考慮到焊接加工，節(jié)點(diǎn)數(shù)目不宜過多，故桁架層數(shù)為4層。2.3.4添設(shè)橫桿定義hi為相鄰橫桿間高度差（i為桁架層數(shù)）某層橫桿間的高度差相鄰上一層橫桿間的高度差的差值定義為“層差d”，即d=hi+1-hi，將橫桿根據(jù)不同的“層差”從上往下依次分布考慮結(jié)構(gòu)的焊接性，設(shè)計高度差hi不小于20mm。整體的高度H=180mm，層數(shù)N為4層，利用等差數(shù)列求和公式推導(dǎo)：H=nhi+1/2*n(n-1)d20≤hi≤45圖2-7F/m隨d的變化由式可得0≤d≤16.7。以2mm為間隔選取9個層差值，對不同的層差下的桁架結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析、屈曲分析和響應(yīng)面分析，得到桁架結(jié)構(gòu)的最大F/m值，繪制了F/m隨d的變化曲線，如圖2-8所示。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，隨著“層差d”的增加，在d＞0時，最大F/m值變化曲線出現(xiàn)陡降，而最大F/m的變化趨勢與結(jié)構(gòu)臨界失穩(wěn)載荷變化一致，因此最大F/m突然下降主要是由于結(jié)構(gòu)的承載能力F的下降導(dǎo)致，當(dāng)d=0是結(jié)構(gòu)的承載能力更好，也具有更高的承重比最好，等分橫桿分布形式。2.3.5斜桿連接方式優(yōu)化斜桿連接方式按照同一側(cè)面相鄰斜桿分布方式進(jìn)行設(shè)計，其構(gòu)成幾何形狀主要分為2如圖2-8所示，2種不同斜桿分布方式的結(jié)構(gòu)其質(zhì)量相同。對2種斜桿的連接方式的結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析和屈曲分析，作2種斜桿連接方式的臨界失穩(wěn)載荷F對比，如圖2-9所示。圖中桁架的斜桿以“”型方式連接的桁架結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)臨界載荷值較高，這是因為“”型的連桿分布中，相鄰的連桿與立柱構(gòu)成形狀為三角形，因此桁架結(jié)構(gòu)具有更好的穩(wěn)定性。因此確定斜桿的連接方式為“”型。2.3.6添設(shè)斜桿為了便于分析，設(shè)計過程中定義兩個變量。設(shè)斜桿與橫桿在支撐桿上的焊點(diǎn)之間的距離為d。為了方便設(shè)計和計算，該斜桿的另一端焊點(diǎn)位置距上一層橫桿焊點(diǎn)的距離也設(shè)為d。定義計算的臨界失穩(wěn)載荷除以該層斜桿的總質(zhì)量為斜桿的利用比η。采用逐層斜桿優(yōu)化方法進(jìn)行設(shè)計，從底部第1層開始優(yōu)化，利用ANSYSWorkbench有限元計算分析得出臨界失穩(wěn)載荷F/N—d和利用η—d變化圖。各層F/N—d和η—d變化曲線如圖2-10。第一層(b)第二層(c)第三層(d)第四層圖2-10臨界失穩(wěn)載荷F/m—d和利用比η—d曲線圖2-10中可知，第1層斜桿添加位置最優(yōu)的點(diǎn)應(yīng)該是利用比η最大的點(diǎn)，即d＝11mm。該斜桿位置也是承載力和質(zhì)量配置最合理的點(diǎn)，這樣就解決了斜桿位置優(yōu)化問題。第2層利用比η最大的點(diǎn)為d=14mm。第3層利用比η較大的點(diǎn)為d=13mm。第四層利用比和承重比均較好的點(diǎn)是d=11mm。2.4模型最終優(yōu)化數(shù)據(jù)立柱與底面的夾角θ為83°，上頂面圓心之間的距離為20mm,桁架結(jié)構(gòu)共分為四層，橫桿位置按照180mm等分,分別為0mm,45mm,90mm,135mm,180mm。每層斜桿的位置如下圖2-11所示。圖2-11最終優(yōu)化模型尺寸圖圖2-12最終桁架結(jié)構(gòu)模型圖2.5焊接點(diǎn)的作用設(shè)計方案中立柱與地面的夾角設(shè)計為83°，橫桿與立柱、斜桿與立柱相貫線復(fù)雜。若采用加工設(shè)備加工出馬鞍口必然引起成本的上升，手工下料時各連接部分均有間隙。這時通過焊接材料填充間隙和補(bǔ)償焊接處的收縮下凹，起到一定的填充作用，增加了連接處的可靠性。焊接相較于其他的連接方法具有剛度大，整體性強(qiáng)的特點(diǎn)。零件加工精度要求不像鉚接、螺栓連接那樣嚴(yán)格，連接性能比較好。對于桁架來說，焊接是一種適合的連接方法。桁架在上下壓頭的作用下，主要受力的部分是四根立柱。為了抵抗構(gòu)件的失穩(wěn)變形和屈服變形，添設(shè)了橫桿與斜桿。這時通過焊接接頭與立柱相連，起到了傳力的作用。三、達(dá)成連接的方案與技術(shù)方法基于設(shè)計的桁架結(jié)構(gòu)進(jìn)行焊接，針對該桁架結(jié)構(gòu)材料為鈦合金且結(jié)構(gòu)較小特點(diǎn)，采用手工TIG焊，并采用鈦合金焊絲進(jìn)行焊接。為減小焊接變形和保證焊接件按照設(shè)計進(jìn)行焊接，按照先外框后連桿的順序進(jìn)行焊接，先焊接出兩面再將兩面之間的橫桿和斜桿連接起來，在焊接兩面之間的連桿時可以先用膠水將桁架結(jié)構(gòu)預(yù)連接，再進(jìn)行焊接，這樣可以極大地保證焊接件按照設(shè)計要求完成焊接。同時為保證桁架結(jié)構(gòu)的試驗值與設(shè)計模擬值盡可能相近，下料時我們盡可能使零件加工出馬鞍口以使桁架結(jié)構(gòu)各部分接觸良好。同時在每一個棒料切割時留出打磨余量，以便于后期打磨和保證相同零件的尺寸等參數(shù)相同。后期打磨時先粗磨磨掉毛刺等切割缺陷，再精磨，精磨時每一次都要用游標(biāo)卡尺進(jìn)行測量以保證不超出設(shè)計參數(shù)。四、力學(xué)性能分析將三維實體模型導(dǎo)入ANSYSWorkbench中進(jìn)行靜力分析和非線性結(jié)構(gòu)瞬態(tài)分析，如圖4-1所示。（a）靜力分析(b)失穩(wěn)變形圖4-1最終桁架結(jié)構(gòu)受力分析計算得到的靜力變形如圖4-1（a），失穩(wěn)變形如圖4-1（b），結(jié)構(gòu)總質(zhì)量為0.238kg,計算出臨界失穩(wěn)載荷為42000N，考慮到焊接會造成支撐桿產(chǎn)生一定變形，實際結(jié)構(gòu)的臨界失穩(wěn)載荷可能會小于此值。五、成本核算項目分類數(shù)量價格成本成本總計材料6mmTC4鈦合金棒300g90元105元155元1.2mm鈦合金焊絲30g12元瞬